Нано и биотехнология

Медицина с самого начала развития нанотехнологии рассматривалась как одна из основных сфер ее приложения.

Основу биологических систем составляют структуры, имеющие наноразмеры. Можно сказать, что природа давно освоила нанотехнологию. Поэтому естественным является стремление использовать в медицинских целях искусственные наноструктуры. При этом, как было показано в предыдущих главах, есть смысл сочетать искусственные структуры с частями живых клеток.

Таким образом, достижения и перспективы нанотехнологии в области медицины часто граничат с биотехнологией или фактически представляют собой биотехнологию.

Особенностью биологических наноструктур является комплементарностъ, способность к распознаванию на молекулярном уровне (ДНК, антитела и др.). Эта способность является основой работы биодатчиков, но она же может быть использована для самосборки наноструктур, что является ключевым моментом в процессах «снизу вверх».

Основные области применения нанотехнологии в медицине

Основные области применения нанотехнологии в медицине в настоящее время:

• биодатчики, в том числе в живом организме;

• полноценные имплантаты;

• доставка лекарств в живой организм «по адресу»;

• диагностика (особенно раковых опухолей);

• дистанционная хирургия;

• разработка новых наноматериалов и лекарств;

• модернизация диагностических приборов и методов.

Медицина (в том числе космическая) и экология требуют создания микро и наноустройств, осуществляющих длительный мониторинг состояния живого организма и воздействия на него различных неблагоприятных факторов (например, радиации, что является актуальной проблемой для космонавтов). Особо стоят задачи генетического контроля продуктов питания и обнаружения биологического оружия.

Биодатчики (биосенсоры)

П ринцип работы биодатчика изображен на рисунке 9.1. В качестве вещества, осуществляющего молекулярное распознавание, используются антитела, ДНК, ферменты и некоторые сложные химические соединения. Основной проблемой является быстрая потеря способности биодатчиков к молекулярному распознаванию, сейчас химики успешно продвигаются по пути синтеза «долгоиграющих» молекул. Для увеличения стабильности ферментов на биосенсорах их включают в полимерные или гелевые пленки или же связывают с подложкой ковалентными связями, чем достигается их многократное использование.

Широко используемым практическим достижением микро и нанотехнологии являются «лаборатории на чипе», проводящие экспресс-анализ ДНК и других биомолекул. Такое аналитическое микроустройство на кремниевом или стеклянном чипе потребовало разработки новых методик обработки и передачи информации, а также новых источников питания. На поверхность чипа или наночастиц можно наносить белковые маркеры, комплементарные к определенным вирусам. Когда вирус связывается со «своим» маркером, меняются характеристики наночастицы, что можно зафиксировать за несколько минут анализа. На рисунке 9.2 дана в качестве примера схема детектирования одиночного вируса гриппа. Нанопроволока 2 после обработки способна захватить вирус; 1 - нейтральна к вирусам. При захвате (адсорбции) всего одного вируса фиксируется падение электропроводности нанопроволоки 2, при его десорбции значение электропроводности восстанавливается. Графики на рисунке показывают, как проводимость кремниевых НП приборов реагирует на адсорбцию и десорбцию одиночного вируса.

Сегодня уже разработаны системы диагностики ВИЧинфекции на шесть порядков точнее традиционных. Новейший сенсор определения глюкозы срабатывает за 12 с. Через 3-5 лет вся процедура анализа крови принципиально изменится и не будет требовать высокой квалификации.

О собо можно выделить такие мультисенсорные системы, как «электронный нос» и «электронный язык», функции которых ясны из их названий [24*, 25*].

В качестве биологических датчиков и экспресс-анализаторов предлагается, в частности, использовать микроорганизмы, управляемые электрическим полем.

В последние годы ряд биосенсоров созданы на углеродных нанотрубках. Фотонный кристалл на поверхности «умной» чашки Петри позволяет фиксировать изменения в рассеянии света, вызванные заменой здоровых клеток на раковые или поврежденные токсинами.

Уже упоминалось использование квантовых точек в качестве флюорофоров. Если связать квантовые точки разных размеров (и следовательно, излучающие разные цвета) с маркерами, которые предназначены для определенных мишеней (пептидов, белков, ДНК), то мы получим многоцветное детектирование разных биообъектов (работы Института биоорганической химии РАН). Таким образом, одновременно детектируется много параметров изучаемой биологической системы. Квантовые точки - флюорофоры - стабильны, и в течение ряда дней или даже недель можно следить за эволюцией биосистемы.

Разные квантовые точки можно включить в микросферу, которая становится лабораторией на микросфере. Такая структура содержит код быстрого и целевого определения конкретного объекта и применима для диагностики рака и различных воспалительных заболеваний.

Объемные или пленочные наноразмерные датчики могут вводиться внутрь организма или подсоединяться к некоторым органам и вести непрерывный «репортаж» об их состоянии на молекулярном уровне. Информационный терминал, с которого можно считывать информацию, внешне может выглядеть, например, как серьга в ухе.